第二章理想PN结的直流电流电压特性

1、Physics of Semiconductor DevicesPhysics of Semiconductor DevicesPhysics of Semiconductor Devices2.3 理想PN结的直流电流电压特性1 1 正向电流电压特性正向电流电压特性二二 反向电流电压特性反向电流电压特性三三 PNPN结的伏安特性结的伏安特性Physics of Semiconductor DevicesPhysics of Semiconductor DevicesPhysics of Semiconductor Devices理想理想PNPN结模型假设：结模型假设：（1）外加电压全部降落在

2、耗尽区上，耗尽区以外的半导体是）外加电压全部降落在耗尽区上，耗尽区以外的半导体是 电中性的，可忽略中性区的体电阻和接触电阻；电中性的，可忽略中性区的体电阻和接触电阻；（2）均匀掺杂；）均匀掺杂；（3）小注入）小注入(即注入的非平衡少子浓度远小于多子浓度即注入的非平衡少子浓度远小于多子浓度)； （4）耗尽区内无复合和产生；耗尽区内无复合和产生；（5）半导体非简并。）半导体非简并。（6）P型区型区N型区的宽度远大于少子扩散长度型区的宽度远大于少子扩散长度Physics of Semiconductor DevicesPhysics of Semiconductor DevicesPhysics o

3、f Semiconductor Devices 一一 正向电流电压特性正向电流电压特性在在N型区的右侧，由于注入的非平衡少子（空穴）基本复合消失，型区的右侧，由于注入的非平衡少子（空穴）基本复合消失，少子的扩散电流为零，流过的电流主要是多子电子的漂移电流少子的扩散电流为零，流过的电流主要是多子电子的漂移电流少子空穴的浓度很低，其漂移电流可忽略不计少子空穴的浓度很低，其漂移电流可忽略不计在在P型区的左侧，型区的左侧，流过的电流主要流过的电流主要是多子空穴的是多子空穴的漂移电流，少子漂移电流，少子（电子）的浓度（电子）的浓度很低，其漂移电很低，其漂移电流可忽略不计。流可忽略不计。中性区中性区漂移电

4、流漂移电流扩散电流扩散电流复合复合N区区P区区Physics of Semiconductor DevicesPhysics of Semiconductor DevicesPhysics of Semiconductor DevicesN区：电子在外加电压的作用下向边界区：电子在外加电压的作用下向边界Xn 漂移，越过空间电荷漂移，越过空间电荷区，经过边界区，经过边界XP注入注入P区，然后向前扩散形成电子扩散电流，区，然后向前扩散形成电子扩散电流，但在电子扩散区域内，电子边扩散边复合，不断与从左边漂移但在电子扩散区域内，电子边扩散边复合，不断与从左边漂移过来的空穴复合而转化为空穴的漂移电流，直

5、到过来的空穴复合而转化为空穴的漂移电流，直到XP 处注入的处注入的电子全部复合，电子扩散电流全部转变为空穴的漂移电流。电子全部复合，电子扩散电流全部转变为空穴的漂移电流。扩散区扩散区Physics of Semiconductor DevicesPhysics of Semiconductor DevicesPhysics of Semiconductor DevicesP区：空穴在外加电压的作用下向边界区：空穴在外加电压的作用下向边界XP 漂移，越过空间电荷漂移，越过空间电荷区，经过边界区，经过边界XN注入注入N区，然后向前扩散形成空穴扩散电流，区，然后向前扩散形成空穴扩散电流，在空穴扩散区

6、域内，空穴扩散电流都通过复合而转化为电子的在空穴扩散区域内，空穴扩散电流都通过复合而转化为电子的漂移电流。漂移电流。扩散区：少子扩散电流和多子漂移电流相互转换扩散区扩散区Physics of Semiconductor DevicesPhysics of Semiconductor DevicesPhysics of Semiconductor Devices电子电流和空穴电流的大小在电子电流和空穴电流的大小在PN结附近扩散区域内的各处是结附近扩散区域内的各处是不相等的，但两者之和始终相等。说明电流转换并非电流的不相等的，但两者之和始终相等。说明电流转换并非电流的中断，而仅仅是电流的具体形式和

7、载流子类型的改变，因此，中断，而仅仅是电流的具体形式和载流子类型的改变，因此，PN结内的电流是连续的。结内的电流是连续的。则通过PN结任意截面的电流都一样：漂移电流漂移电流扩散电流扩散电流复合复合Physics of Semiconductor DevicesPhysics of Semiconductor DevicesPhysics of Semiconductor Devices根据连续性方程和电流方程：根据连续性方程和电流方程：空穴的扩散长度边界条件空穴浓度分布Physics of Semiconductor DevicesPhysics of Semiconductor Device

8、sPhysics of Semiconductor Devices空穴注入的扩散电流：空穴注入的扩散电流：空穴注入的扩散电流分布在边界处空穴扩散电流：边界处Physics of Semiconductor DevicesPhysics of Semiconductor DevicesPhysics of Semiconductor Devices电子浓度分布：电子浓度分布：电子的扩散电流：电子的扩散电流：电子的扩散长度Physics of Semiconductor DevicesPhysics of Semiconductor DevicesPhysics of Semiconductor

9、Devices在边界处电子扩散电流：电子注入的扩散电流分布电子注入的扩散电流分布由于忽略了空间电荷区的复合和产生电流，则总电流：由于忽略了空间电荷区的复合和产生电流，则总电流：)()(pnnpxIxI二极管的饱和电流总电流Physics of Semiconductor DevicesPhysics of Semiconductor DevicesPhysics of Semiconductor DevicesPhysics of Semiconductor DevicesPhysics of Semiconductor DevicesPhysics of Semiconductor Devi

10、cesPhysics of Semiconductor DevicesPhysics of Semiconductor DevicesPhysics of Semiconductor DevicesPhysics of Semiconductor DevicesPhysics of Semiconductor DevicesPhysics of Semiconductor DevicesPhysics of Semiconductor DevicesPhysics of Semiconductor DevicesPhysics of Semiconductor Devices在在XNXN区域和

11、区域和XPXP区域的少子浓度低于平衡少子浓度，因区域的少子浓度低于平衡少子浓度，因而产生大于复合。而产生大于复合。扩散电流扩散电流漂移电流漂移电流二二 反向电流电压特性反向电流电压特性Physics of Semiconductor DevicesPhysics of Semiconductor DevicesPhysics of Semiconductor Devices扩散电流扩散电流漂移电流漂移电流在在XNXN区域净产生的空穴往结区扩散，到达空间电荷区边区域净产生的空穴往结区扩散，到达空间电荷区边界界XN处，被电场扫过空间电荷区进入处，被电场扫过空间电荷区进入P区，产生的电子以漂区，产生

12、的电子以漂移的形式流出移的形式流出XNXN区。区。Physics of Semiconductor DevicesPhysics of Semiconductor DevicesPhysics of Semiconductor Devices扩散电流扩散电流漂移电流漂移电流在在XPXP区域中净产生的电子往区域中净产生的电子往XP方向扩散，一到达空间电荷方向扩散，一到达空间电荷区边界区边界XP即被电场扫过空间电荷区进入即被电场扫过空间电荷区进入N区，产生的空穴则以区，产生的空穴则以漂移形式流出漂移形式流出XPXP 。Physics of Semiconductor DevicesPhysics

13、of Semiconductor DevicesPhysics of Semiconductor Devices这样形成了由这样形成了由N区流向区流向P区的区的PN结反向电流。在右侧是电子漂结反向电流。在右侧是电子漂移电流，在左侧全部变为空穴电流。移电流，在左侧全部变为空穴电流。扩散电流扩散电流漂移电流漂移电流Physics of Semiconductor DevicesPhysics of Semiconductor DevicesPhysics of Semiconductor DevicesPhysics of Semiconductor DevicesPhysics of Semic

14、onductor DevicesPhysics of Semiconductor DevicesPhysics of Semiconductor DevicesPhysics of Semiconductor DevicesPhysics of Semiconductor DevicesPhysics of Semiconductor DevicesPhysics of Semiconductor DevicesPhysics of Semiconductor Devices反向电流特性：反向电流特性：少子的产生率电子、空穴的复合率：电子、空穴的复合率：负的复合率表明产生率是正的，上式中分别是

15、空穴扩散区负的复合率表明产生率是正的，上式中分别是空穴扩散区和电子扩散区中所发生的空穴产生电流和电子产生电流。和电子扩散区中所发生的空穴产生电流和电子产生电流。边界少子的浓度几乎为0，非平衡载流子的浓度近似为-np0 和 -pn0Physics of Semiconductor DevicesPhysics of Semiconductor DevicesPhysics of Semiconductor Devices三三 PNPN结的直流特性结的直流特性施加正向电压能通过较大电流，正向导通；施加反向电压时，施加正向电压能通过较大电流，正向导通；施加反向电压时，电流趋于饱和（很小），称电流趋于

16、饱和（很小），称PN结处于反向截至。结处于反向截至。PN结具有单向导电性门槛电压死区正向特性反向特性Physics of Semiconductor DevicesPhysics of Semiconductor DevicesPhysics of Semiconductor Devices在外加电压较低时，正向电流很小，几乎为零，随着电压的在外加电压较低时，正向电流很小，几乎为零，随着电压的增加，正向电流慢慢增大，当电压大于某一个值时，电流才增加，正向电流慢慢增大，当电压大于某一个值时，电流才有明显的增加。这个电压称为有明显的增加。这个电压称为PN结的导通电压或门槛电压结的导通电压或门槛电压

17、VTH。之后，电流随电压的增加而急剧增大。锗之后，电流随电压的增加而急剧增大。锗PN结的导通结的导通电压为电压为0.25V，硅硅PN结的导通电压为结的导通电压为0.5V。门槛电压：门槛电压：Physics of Semiconductor DevicesPhysics of Semiconductor DevicesPhysics of Semiconductor Devices例1：求vI1和vI2不同值组合时的v0值（二极管为理想模型）。解：解：开关电路vI1 vI2二极管工作状态D1 D2v00V 0V导通 导通导通 截止截止 导通截止 截止0V 5V5V 0V5V 5V0V0V0V5V应用实例：二极管基本电路分析Physics of Semiconductor DevicesPhysics of Semiconductor DevicesPhysics of Semiconductor Devices例2：画出理想二极管电路的传输特性（VoVI）当VI0时D1截止D2导通IOVV210VIVO- - 5V+5V+5V- - 5V+2.5V- -2.5VPhysics of Semiconductor DevicesPhysics of Semiconductor DevicesPhysics of Semicond